sic纖維鈦基復(fù)合材料簡(jiǎn)介

鈦基復(fù)合材料加工前言

在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上提高高溫鈦合金的使用溫度存在著較大的困難，難以滿足日益苛刻的綜合性能要求。于是，鈦合金向鈦材料的新一族——鈦基復(fù)合材料(TMCs)發(fā)展的轉(zhuǎn)移趨勢(shì)也應(yīng)運(yùn)而生。近年來，由于其相對(duì)鈦合金更為優(yōu)異的綜合性能，鈦基復(fù)合材料引起人們廣泛關(guān)注。鈦基復(fù)合材料的種類

鈦基復(fù)合材料主要分為兩大類：連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。早期研究的主要領(lǐng)域是以碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料，可顯著提高基體合金的機(jī)械性能，但纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料受到以下幾個(gè)因素的制約：碳化硅纖維價(jià)格昂貴、加工工藝復(fù)雜、各向異性。此外，鈦基復(fù)合材料中SiC纖維與鈦基體熱膨脹系數(shù)相差較大，容易在制備和服役過程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，且在高溫條件下與鈦基體發(fā)生界面反應(yīng)而生成TiCx、Ti5Si3(C)等產(chǎn)物，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的性能。上述幾個(gè)因素嚴(yán)重地限制了連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用。最近，以外加或原位生成的非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料因其制備和加工工藝與鈦合金相似，成本與鈦合金材料接近，可望在航空航天和軍工領(lǐng)域的許多高溫結(jié)構(gòu)中獲得實(shí)際應(yīng)用。低密度、高模量和高強(qiáng)度的陶瓷顆粒或短纖維加入鈦合金基體中，可顯著提高材料的比模量、比強(qiáng)度和蠕變性能，進(jìn)一步提高它的使用溫度，以滿足高溫鈦合金不斷發(fā)展的需要。因此，非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料是目前的重要研究方向。此外，陶瓷增強(qiáng)相可顯著提高基體合金的耐磨性，結(jié)合鈦合金耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，滿足航空航天和軍工領(lǐng)域?qū)Σ牧夏湍?、耐蝕的要求。SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料簡(jiǎn)要介紹成型方法性能特點(diǎn)發(fā)展展望CONTENTSCONTENTSCONTENTSCONTENTS主要目錄

簡(jiǎn)要介紹

SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料是以SiC纖維為增強(qiáng)相以鈦（或鈦合金）為基體的新型復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高的蠕變及疲勞性能，為基體鈦合金所無法比擬，因而可在更高溫度使用。纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中有廣闊應(yīng)用前景，可大大減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量，提高飛行器的工作效率。近20年來材料工作者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，并取得了突破性進(jìn)展

簡(jiǎn)要介紹SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料圖1SiCf/TC4復(fù)合材料空心整體結(jié)構(gòu)圖2件采用箔材刻槽法制備的復(fù)合材料的橫斷面

簡(jiǎn)要介紹

SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料制備工藝SiC纖維增強(qiáng)的制備過程分為復(fù)合和壓實(shí)2個(gè)過程。鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑，鈦合金在高溫下可以和大多數(shù)增強(qiáng)纖維發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成有害的界面反應(yīng)物導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降，故只能用固相法制備。目前SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備技術(shù)主要有：等離子噴涂法(MCM)纖維增強(qiáng)和纖維涂層法(MCF)。常用的固化壓實(shí)技術(shù)有熱等靜壓(HIP)和真空熱壓(VHP)2種。123成型方法

等離子噴涂法(MCM)纖維涂層法(MCF)SiC纖維增強(qiáng)法的其他制備工藝1成型方法

等離子噴涂法(MCM)該工藝用等離子噴槍把熔融或者接近熔融狀態(tài)的鈦合金以微米級(jí)顆粒噴向纏繞有纖維的轉(zhuǎn)輪上，將冷凝之后形成的單層薄帶切割下來，多層疊放，然后熱壓或熱等靜壓制成復(fù)合材料。該方法用熔融的鈦合金基體固定增強(qiáng)纖維，克服了FFF法纖維不易固定的缺點(diǎn)，固壓成型后纖維分布均勻。但由于熔融鈦合金溫度高，與纖維接觸時(shí)會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)。在用該工藝制備SMl240／Ti一48A1—2V和SCS一6／Ti一48AJ一2V中發(fā)現(xiàn)：前者在界面處生成TiC、Ti2AlC、TiB。和Ti5SiC。，后者在界面處生成TiC、Ti5AlC和Ti5Si3C2，降低了復(fù)合材料的性能。1成型方法

等離子噴涂法(MCM)優(yōu)點(diǎn)：克服了FFF法纖維不易固定的缺點(diǎn)，固壓成型后纖維分布均勻。缺點(diǎn)：由于熔融鈦合金溫度高，與纖維接觸時(shí)會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)；在用該工藝制備SMl240／Ti一48A1—2V和SCS一6／Ti一48AJ一2V中發(fā)現(xiàn)：前者在界面處生成TiC、Ti2AlC、TiB。和Ti5SiC。，后者在界面處生成TiC、Ti5AlC和Ti5Si3C2，降低了復(fù)合材料的性能。2成型方法

纖維涂層法(MCF)圖5MCF法制備FTMCs的示意圖2成型方法

纖維涂層法(MCF)

用纖維涂層法可以獲得最佳的纖維分布。該工藝用物理氣相沉積法(PVD)把基體合金作為涂層材料，均勻地涂在單根纖維上，然后將基體涂層纖維捆綁、排布、封裝后熱壓或熱等靜壓成形，如圖4所示。2成型方法

纖維涂層法(MCF)優(yōu)點(diǎn)：①具有極好的纖維分布，無接觸聚集，只要纖維之間間距在30um以上，材料就不會(huì)因熱應(yīng)力而造成裂紋；②成型工藝不像FFF法那樣要求嚴(yán)格；③纖維／基體界面區(qū)沒有或幾乎沒有被擾亂；④低的離群性；⑤原則上幾乎任何合金都可作基體；⑥不需要箔材和粉冶材料；⑦M(jìn)CF適于用單絲纏繞制取環(huán)、盤和管材，其他方法成本很高且成形件性能較低；⑧纖維的體積含量可高達(dá)80％；⑨金屬涂層保護(hù)了陶瓷纖維在加工處理和成型工藝中不被破壞。3成型方法

SiC纖維增強(qiáng)法的其他制備工藝

纖維增強(qiáng)法的其他制備技術(shù)包括墊布工藝，漿料帶鑄造法等。近年來又開發(fā)出超塑性成形／擴(kuò)散連接(SPF／DB)工藝制備纖維增強(qiáng)法的混雜結(jié)構(gòu)技術(shù)。此技術(shù)制備SiC／Ti-15-3復(fù)合材料時(shí)，并非溫度越高越利于鈦基復(fù)合材料的擴(kuò)散連接，在較低溫度下，利用超塑性變形可以提高復(fù)合材料質(zhì)量。性能特點(diǎn)

纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的機(jī)械性能

法國宇航中心(ONERA)所制成的復(fù)合材料性能顯示，3種材料：SMll40+/Ti-6242，SMll40+Ti2AlNb和SMll40+/Ti2AlNbSi的彈性模量相似，SMll40+／Ti-6242的拉伸強(qiáng)度高于SMll40+/Ti2AlNb，而SMll40+/Ti2AlNbsi的拉伸強(qiáng)度最低。（見表一）性能特點(diǎn)

纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的抗氧化性能Vassel等人在對(duì)SM1140/Ti-6242和SMll40+/Ti2AlNb的基體材料進(jìn)行氧化實(shí)驗(yàn)時(shí)得出，在600℃，700℃下，這2種基體材料的氧化動(dòng)力學(xué)曲線服從拋物線規(guī)律，即△m/s=K1/2t，K為氧化動(dòng)力常數(shù)，f為時(shí)間，△m/s為氧化增重。從表2可以得出2種六方晶型的合金Ti-21Al-27Nb和Ti-23Al-25Nb-0．35Si的氧化動(dòng)力學(xué)基本相似．但其抗氧化性能明顯優(yōu)于Ti-6242合金。性能特點(diǎn)

纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的界面反應(yīng)Vassel等人對(duì)SMll40+/Ti-6242和SMll40+／Ti2AlNb復(fù)合材料的橫斷面組織研究得出，基體和增強(qiáng)纖維具有良好的復(fù)合界面，纖維和基體在復(fù)合過程中有金屬間化合物等脆性相生成，這種生成物可能成為裂紋源，從而對(duì)材料的蠕變、拉伸、疲勞等性能產(chǎn)生影響。表3列出3種復(fù)合材料的界面厚度和反應(yīng)產(chǎn)物，其中2種六方晶系基體由3種相組成：O相(Ti2AlNb)，β(有序相，β2)和α相(Ti3Al，DO19)。圖6復(fù)合材料中纖維和基體的界面性能特點(diǎn)

纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的界面反應(yīng)發(fā)展展望

纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上有廣泛的應(yīng)用前景，目前國際上廣泛使用的為美國生產(chǎn)的SCS一6SiC纖維及英國的SMl240SiC纖維，SCS-6纖維是用化學(xué)氣相沉積(CVD)將SiC沉積在碳芯上，其外表面有一層3um的碳涂層，經(jīng)過改進(jìn)CVD工藝，SCS—ULTRA和SCS一9A具有更加優(yōu)異的性能。英國生產(chǎn)的SiC纖維為鎢芯結(jié)構(gòu)，外表面具有C／TiB2雙涂層，但無論是抗拉強(qiáng)度還是熱穩(wěn)定性均不及SCS系列纖維。圖6采用大量鈦基復(fù)合材料的通用公司F119發(fā)動(dòng)機(jī)試車發(fā)展展望

纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料因其高比強(qiáng)、高比模量、好的尺寸穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度是航天工業(yè)中結(jié)構(gòu)件的候選材料，到目前為止，已對(duì)其復(fù)合方法、強(qiáng)化纖維與基體合金、損傷評(píng)價(jià)技術(shù)等方面進(jìn)行了深入的研究?；旌?/p>